Comparative Performance of Three Machine Learning Models in Predicting Influent Flow Rates and Nutrient Loads at Wastewater Treatment Plants

废水 环境科学 污水处理 污染物 环境工程 人口 营养物 渗透(HVAC) 水文学(农业) 水质 工程类 生态学 地理 气象学 人口学 岩土工程 社会学 生物
作者
Xiaoou Wei,Jiang Yu,Yong Tian,Yujie Ben,Zongwei Cai,Chunmiao Zheng
出处
期刊:ACS ES&T water [American Chemical Society]
卷期号:4 (3): 1024-1035 被引量:19
标识
DOI:10.1021/acsestwater.3c00155
摘要

Accurately predicting influent wastewater quality is vital for the efficient operation and maintenance of wastewater treatment plants (WWTPs). This study evaluated three machine learning (ML) models for predicting influent flow rates and nutrient loads of both industrial and domestic wastewaters in WWTPs. These predictions were based on meteorological data and the population migration patterns. The models─random forest, extra trees, and gradient boosting regressor─were successfully applied to three full-scale WWTPs in Shenzhen, China. All the models demonstrated robust performance in predicting influent flow rate, ammoniacal nitrogen (NH3–N), and total nitrogen (TN). Feature importance analysis revealed that the average precipitation over the past n days and population migration were the most influential factors for predicting influent flow rate. Conversely, human activities have a greater impact on pollutant concentrations. Scenario analyses indicated that precipitation contributed to approximately 5%–10% of the wastewater influent, while groundwater infiltration accounted for around 20%. Overall, this study provides a model framework for forecasting wastewater loads using meteorological and population migration data, setting the groundwork for smart management in WWTPs.
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